可撓式柱狀透鏡研究

1、國立臺灣大學(xué)工學(xué)院機械工程學(xué)研究所 碩士論文 Department of Mechanical Engineering College of Engineering National Taiwan University Master Thesis 可撓式柱狀透鏡用于立體印刷影像之研究 Design of Stereoscopic Images Using the Flexible Lenticular Lens 游宏彬 Hong-Bin You 指導(dǎo)教授：陳炳輝 博士 Advisor: Ping-Hei Chen, Ph.D. 中華民國99年6月 June, 2010致謝 充滿著許多回憶的碩士

2、生涯，隨著本論文的完成即將告一段落。兩年來的研究生活有歡笑、有淚水，但有一群支持與鼓勵我的人，才使我的論文得以順利誕生。 首先由衷的感謝指導(dǎo)教授陳炳輝老師這兩年來不厭其煩的指導(dǎo)與教誨，提供了寶貴的經(jīng)驗與許多機會去挑戰(zhàn)新事物，使我無論是在學(xué)業(yè)、生活及為人處事上都獲益良多。感謝楊進丁老師與林招松老師在口試及論文上提供了珍貴的建議與指導(dǎo)，使得論文更臻完善；感謝銀鴻科技股份有限公司廖先生在實驗研究的軟件設(shè)備上的協(xié)助，使得我的研究得以順利進行；感謝愛爾得信息股份有限公司王先生在研究理論上的指教與幫助。也感謝實驗室宗翰、龍生、達生、文彬、證皓、一帆、虹遐、阿吉、庭安與易勛學(xué)長們在研究過程中對我的指教與鼓勵

3、，與學(xué)弟銘希、皓修與維真的協(xié)助，以及伙伴孟育彼此鼓勵與幫助，陪我度過了這些酸甜苦辣的時光；謝謝書琳在這幾年一路上的陪伴，在遇到挫折時給我的鼓勵與支持，沒有你，這本論文不會這么順利的誕生。 最后，感謝我的家人與父母，在您們的肯定與鼓勵之下，使我能夠順利完成碩士學(xué)業(yè)。謹(jǐn)將此論文獻給身邊所愛的人以及曾經(jīng)幫助過我的每一位師長與朋友。 摘要 本研究使用具可撓性的PDMS材料利用壓印制程制作微柱狀透鏡數(shù)組，并且將經(jīng)過影像處理的圖像與柱狀透鏡結(jié)合，藉由柱狀透鏡具有分光的光學(xué)特性，使得左右眼分別看不同的影像而達到3D立體的效果。針對不同的影像參數(shù)，經(jīng)實驗結(jié)果得知拍攝的影像數(shù)愈多，在不同角度觀看立體影像會有較平

4、滑的效果，即表示殘影的現(xiàn)象較少；并且隨著拍攝的光角愈大，三維效果愈好。針對不同參數(shù)的柱狀透鏡，經(jīng)由實驗量測結(jié)果，柱狀透鏡的線距(Pitch)愈小，3D立體影像的分辨率愈高；并且隨著柱狀透鏡的曲率半徑增大，在Stereoscopic angle較小時即可以觀看到在相同光角下最深的立體厚度，表示立體深度空間感的效果愈明顯，并將此現(xiàn)象定義為本研究判斷3D三維效果好壞的方法。接著利用PDMS具有可撓的特性，將柱狀透鏡放置于不同半徑的曲面上，經(jīng)實驗結(jié)果得知隨著曲面半徑的減小，透鏡的曲率半徑與線距隨之增加，導(dǎo)致立體影像產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲現(xiàn)象。本研究藉由影像與透鏡的修正改善立體影像的質(zhì)量并且達到良好的3D三維效

5、果。最后將平面式與曲面式的立體影像以Stereoscopic angle大小判斷三維效果好壞的指標(biāo)進行比較；經(jīng)實驗結(jié)果，曲面式立體影像Stereoscopic angle較小，亦表示曲面式立體影像的3D三維效果較佳。 關(guān)鍵詞：PDMS、柱狀透鏡、3D立體影像、光角、Stereoscopic angle Abstract In this study, using the flexible material of PDMS to fabricate the lenticular lens with imprinting process, and combining the lenticular l

6、ens and interlaced images to make our both eyes see the different images separately by means of the optical properties of lenticular lens which produces the three dimensional stereoscopic images. The experimental results in aspect of different parameters of images demonstrated that the more number o

7、f images of taking photos, seeing the stereoscopic images in different angle is more smoother; and with increase of the optical angle, the stereoscopic effect is more better. In the aspect of different lenticular lens, the results showed that the smaller pitch of the lenticular lens, the higher reso

8、lution of stereoscopic images; and when the curvature radius of the lenticular lens increases, it can be seen the deepest stereoscopic thickness in the same optical angle in smaller Stereoscopic angle, which indicates that the stereoscopic depth sensing is more obvious. And it is a method defined to

9、 determine the quality of the effect of the stereoscopic images. Finally, the lenticular lens were placed on the different radius of curved surface using the flexible property of PDMS, and the experimental results showed that with the decrease of the radius of curved surface, the curvature radius an

10、d pitch of the lenticular lens will increase, causing the stereoscopic images to produce obvious phenomenon of distortion. However, by modification of images and lenticular lens , it can be showed the better image quality and stereoscopic effect on the curved surface. And comparing to the flat and t

11、he curved stereoscopic images using the index of Stereoscopic angle to determine the quality of stereoscopic effect, the results showed that the Stereoscopic angle of the curved stereoscopic images are smaller than flat ones; namely, the stereoscopic effect of curved stereoscopic images are more obv

12、ious. Key words：PDMS, Lenticular lens, 3-D stereoscopic images, Optical angle, Stereoscopic angle 英文符號說明 物體投影在參考面上視差的距離 光速 眼睛至Q物體的距離 眼睛至M物體的距離 雙眼的距離 柱狀透鏡的焦點 柱狀透鏡的厚度 入射光線至介質(zhì)表面的距離 雙眼至參考面的距離 透鏡編號i 觀看影像的放大率 介質(zhì)1的折射率 介質(zhì)2的折射率 拍攝影像張數(shù) 法線 光角 雙眼觀看物體Q的光角 左眼觀看到物體在參考面的投影 右眼觀看到物體在參考面的投影 柱狀透鏡的線距 合成圖像中影像i與影像j的距離 柱狀透

13、鏡的曲率半徑 圓柱體的曲面半徑 物距 像距 時間 入射光線 反射光線 折射光線 入射線與反射線的水平距離 入射線與法線的水平距離 合成影像的寬度 觀看影像放大的寬度 雙眼至觀看物體的距離 觀看到影像i與影像j的立體影像之距離 介質(zhì)2的厚度 希臘符號說明 視角 兩個物體間的距離 感受到最小的立體深度 視線交角的差異 光線在介質(zhì)1的速率 光線在介質(zhì)2的速率 臨界角 入射角 入射線與光軸的夾角 反射角 透鏡法線與光軸的夾角 折射角 折射角與光軸的夾角 入射線與垂直線之夾角 反射線延伸至鏡內(nèi)與垂直線之夾角 目錄 致謝 . I 摘要 . II Abstract . III 英文符號說明 . V 希臘符號

14、說明 . VII 目錄 . VIII 附圖目錄 . XII 附表目錄 . XVIII 第一章 緒論 . 1 1.1 前言 . 1 1.2 研究動機與目的 . 1 1.3 文獻回顧 . 2 1.3.1 立體鏡 . 2 1.3.2 紅藍眼鏡立體成像法 . 3 1.3.3 視差遮障立體成像法 . 4 1.3.4 Pulfrich立體成像法 . 4 1.3.5 偏光立體成像法 . 5 1.3.6 立體全像術(shù) . 6 1.3.7 隨機點立體成像法 . 7 1.3.8 光柵板立體印刷 . 8 1.4 章節(jié)概要 . 8 第二章 基本原理介紹 . 10 2.1 幾何光學(xué)成像原理探討 . 10 2.1.1 幾何

15、光學(xué)定理 . 10 2.1.1.1 反射定律 . 10 2.1.1.2 折射定律 . 11 2.1.1.3 全反射 . 13 2.1.2 幾何成像 . 13 2.1.2.1 平面鏡成像 . 13 2.1.2.2 球面鏡成像 . 14 2.1.2.3 透鏡成像 . 16 2.2 立體視覺成像原理 . 17 2.2.1 眼睛與立體影像之關(guān)系 . 18 2.2.2 產(chǎn)生深度感的因素 . 19 2.2.3 雙眼視差與光角之限制與量化 . 23 2.2.3.1 雙眼視差的限制與量化 . 23 2.2.3.2 光角視差的限制與量化 . 25 第三章 柱狀透鏡立體影像技術(shù) . 29 3.1 柱狀透鏡數(shù)組立體

16、成像 . 29 3.1.1 柱狀透鏡之光學(xué)特性 . 29 3.1.2 柱狀透鏡立體成像原理 . 33 3.2 立體影像制作 . 35 3.2.1 影像拍攝 . 35 3.2.2 不同視角圖像的影像處理之基本原理 . 39 3.3 不同視角的圖像與柱狀透鏡之關(guān)系 . 40 3.3.1 合成圖像與柱狀透鏡的排列關(guān)系 . 40 3.3.2 根據(jù)合成圖像與柱狀透鏡的對應(yīng)關(guān)系計算觀賞立體影像之距離 . 42 第四章 實驗分析與討論 . 45 4.1 柱狀透鏡數(shù)組制作 . 45 4.1.1 柱狀透鏡之設(shè)計 . 45 4.1.1.1 柱狀透鏡的曲率半徑與線距之設(shè)計 . 45 4.1.1.2 柱狀透鏡厚度之設(shè)

17、計 . 47 4.1.2 柱狀透鏡之制作 . 51 4.2 影像制作 . 58 4.2.1 影像拍攝 . 58 4.2.2 合圖影像 . 63 4.3 三維效果的探討與分析 . 67 4.3.1 拍攝影像的張數(shù)多寡對立體影像效果的影響 . 68 4.3.1.1 透鏡L3-P630-R412-OA6 (線距630 m) . 68 4.3.1.2 透鏡L2-P507-R391-OA6 (線距507 m) . 70 4.3.1.3 透鏡L4-P389-R417-OA6 (線距389 m) . 71 4.3.2 制作影像的光角大小對立體影像效果的影響 . 72 4.3.3 柱狀透鏡的線距寬度對立體影像

18、效果的影響 . 74 4.3.4 柱狀透鏡的曲率半徑大小對立體影像效果的影響 . 75 4.3.4.1 光角為6度時不同曲率半徑的透鏡之影響 . 76 4.3.4.2 光角為8度時不同曲率半徑的透鏡之影響 . 78 4.3.4.3 光角為10度時不同曲率半徑的透鏡之影響 . 79 4.4 可撓式立體影像的分析 . 82 4.4.1 柱狀透鏡在曲面上之情形 . 82 4.4.2 曲面立體影像的扭曲現(xiàn)象之修正 . 85 4.4.3 曲面立體影像修正后的結(jié)果 . 89 4.4.4 曲面式立體影像的3D效果 . 92 4.4.4.1 光角為6度時不同曲率半徑的透鏡之影響 . 92 4.4.4.2 光角

19、為8度時不同曲率半徑的透鏡之影響 . 94 4.4.4.3 光角為10度時不同曲率半徑的透鏡之影響 . 95 4.4.5 平面式與曲面式立體影像效果之比較 . 97 第五章 結(jié)論與未來展望 . 99 5.1 結(jié)論 . 99 5.2 未來展望 . 101 參考文獻 . 102 附圖目錄 圖1-1 Wheatstone 立體鏡成像示意圖2 . 2 圖1-2 Brewster立體鏡成像示意圖2 . 3 圖1-3 紅藍眼鏡3 . 3 圖1-4 視差遮障立體法成像示意圖4 . 4 圖1-5 Pulfrich立體成像示意圖 . 5 圖1-6 偏光立體法示意圖 . 5 圖1-7 全像片拍攝及重建過程示意圖7

20、 . 6 圖1-8 隨機點立體成像示意圖8 . 7 圖1-9 隨機立體圖8 . 7 圖2-1 光的反射定理之示意圖 . 11 圖2-2 光的折射定理之示意圖 . 12 圖2-3 全反射示意圖 . 13 圖2-4 反射鏡成像示意圖 . 14 圖2-5 物體在球面鏡焦距內(nèi)成像示意圖 . 14 圖2-6 物體在球面鏡之焦距上成像示意圖 . 15 圖2-7 物體在球面鏡之焦距與曲率半徑間成像示意圖 . 15 圖2-8 物體在球面鏡曲率半徑間成像示意圖 . 15 圖2-9 物體在球面鏡曲率半徑外之成像示意圖 . 16 圖2-10 物體在凸透鏡兩倍焦距外成像情形 . 16 圖2-11 物體在凸透鏡焦距與兩

21、倍焦距之間成像情形 . 17 圖2-12 物體在凸透鏡焦距內(nèi)之成像情形 . 17 圖2-13 人眼的基本構(gòu)造12 . 18 圖2-14 大腦視神經(jīng)俯視圖12 . 19 圖2-15 利用不同密度的線條仿真三度空間 . 20 圖2-16 光角示意圖 . 21 圖2-17 視角示意圖 . 21 圖2-18 非交錯視差示意圖 . 22 圖2-19 零視差示意圖 . 22 圖2-20 負視差示意圖 . 22 圖2-21 正視差示意圖 . 23 圖2-22 雙眼視界(Horopter)之示意圖4 . 24 圖2-23 光角視差的限制與量化之示意圖 . 26 圖2-24 視差角度示意圖 . 27 圖3-1 平行入射光線進入柱狀透鏡之情形 . 29 圖3-2 傾斜平行入射光線進入柱狀透鏡之情形 . 29 圖3-3 光線進入單一柱狀透鏡之情形 . 31 圖3-4 透鏡的厚度為焦距示意圖 . 32 圖3-5 柱狀透鏡之放大率示意圖 . 32 圖3-6 雙眼感受到的深度知覺12 . 33 圖3-7 深度知覺產(chǎn)生之基本